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INTRODUCTION
Ce chapitre permet de cadrer ce travail de mémoire en le plaçant dans le contexte plus général de la recherche scientifique effectuée dans le domaine des énergies renouvelables, et plus particulièrement des cellules solaires photovoltaïques. De ce fait les piles solaires étudiées et composées des matériaux tels que le ZnO, CdTe et le CdS présentent des propriétés structurales, électriques et optiques.
Etude sur le ZnO
Propriétés cristallographiques de l’Oxyde de Zinc (ZnO)
La majorité des semi conducteurs composés du groupe II-VI se cristallisent sous forme d’une structure cubique de zinc-blende ou hexagonale wurtzite où chaque anion est entouré par quatre cations situés aux coins d’un tétraèdre et vice versa. Cette coordination tétraédrique est le type d’une liaison covalente sp3 . Ces matériaux ont également un caractère ionique substantiel. L’oxyde de zinc est un semi conducteur composé du type II-VI, son caractère ionique se situe à l’interface des semi conducteurs covalents et ioniques. Il se cristallise sous les structures wurtzite (B4), zinc-blende (B3) et NaCl (B1), comme il est schématisé sur la figure I.1.Dans les conditions ambiantes la structure wurtzite est la plus stable. La structure zinc-blende ne peut être stable que par croissance sur des substrats cubiques [5].
Propriétés électriques de l’Oxyde de Zinc (ZnO)
En général le ZnO est un semi conducteur de type n, la grande conductivité des couches d’oxydes pures est due à la forte concentration en porteurs (électrons), étant donné que la mobilité dans ces couches est considérablement plus faible que celle en volume du matériau correspondant. La forte concentration en électrons est attribuée à la déviation par rapport à la stœchiométrie (ou défauts dans la structure). L’oxyde de zinc (ZnO) est un matériau à gap direct. Il y a une certaine anomalie dans la littérature concernant l’énergie du gap; le gap d’énergie à la température ambiante de ZnO est de 3,3 eV, tandis qu’une bande de valence à la transition de niveau de donneur à 3,15 eV explique le fait qu’une plus petite valeur (typiquement 3,2 eV) est souvent rapporté. Ainsi, le gap à la température ambiante de ZnO peut être placé dans la gamme 3,2 à 3,3 eV.
La conductivité élevée (> 5000 Ω.cm-1) est possible dans le ZnO de type n, en raison des défauts intrinsèques, des dopants (Al, In, Ga, B, F) ou en combinaison. Les mobilités rapportés des électrons dans les couches minces ZnO sont typiquement de l’ordre ~20 à 30cm2 /V.s ; par contre la mobilité maximale obtenue dans les cristaux simples de ZnO est ~200 cm²/V.s. La déviation à la stœchiométrieei peut être due aux vacances d’anions ou à un excès de cations en position interstitielle. La nature exacte des défauts de structure dans la plupart des cas est encore incertaine. La réaction de formation de ZnO stœchiométrique :
Propriétés optoélectroniques du Tellurure de Cadmium (CdTe)
Le CdTe est transparent à certaines longueurs d’onde (dans l’infrarouge) et devient fluorescent à 790 nm de longueur d’onde. Si la taille des cristaux de CdTe est réduite à quelques nanomètres (ou moins),ses propriétés de boîte quantique, les pics de fluorescence passent dans le domaine du visible à l’ultraviolet.Le CdTe est un semi-conducteur à gap direct, dont la structure de bande lui permet des transitions verticales radiatives très importantes entre la bande de valence et la bande de conduction. Cette propriété est la cause principale des applications de ce matériau dans le domaine de l’optoélectronique.Le CdTe présente une large bande interdite, d’environ 1,51 eV à température ambiante (300 K), ce qui lui donne un seuil d’absorption optique dans le domaine infrarouge, notamment en détection infrarouge et en tant que substrat pour l’épitaxie des couches de CdHgTe.
Le matériau CdTe peut présenter les deux types de conductivité n ou p, avec des niveaux de dopage différents ; le changement de type est aussi possible lors des recuits thermiques, notamment sous atmosphère de cadmium. La diffusion des porteurs de charge par les imperfections du réseau cristallin, les impuretés et les défauts étendus entraine une réduction de la mobilité de ces derniers. La longueur de diffusion des porteurs minoritaires est faible, en effet, il à été observé par EBIC et cathodoluminescence, que la longueur de diffusion dans ce matériau, de type n, diminue avec le dopage, passant de Lp = 5mm pour une concentration d’électron libre de 2 .1013 cm-3 à Lp = 0,13 mm pour une concentration d’électron libre de 8 .1017 cm-3 [3].
Etude du CdS
Le CdS appartenant au groupe II-VI est un semi-conducteur de type n qui a, à température ambiante,une résistivité électrique assez élevée permettant de l’utilisé comme une couche tampon très mince dans les cellules solaires photovoltaïques poly cristallines bien connue à base de CdTe ou de CIGS dans les cellules solaires photo électrochimiques (PEC). La structure de la cellule solaire basée sur le CdS montre de meilleures propriétés optiques et des rendements élevés [2].
Propriétés électriques du CdS
Tous les films obtenus d’après les investigations actuelles sont des semi-conducteurs de type n (une conductivité de type n). La résistivité électrique des films CdS obtenus par CBD est généralement étudiée. Les résistivités de surface des films CdS déposés par évaporation à différentes températures de substrat, varies de 0,333 à 18,9 Ω. Cm à température ambiante les résistivités en volume des films CdS sont approximativement huit fois plus élevées que les résistivités de surface. La nature de substrat influe sur la valeur de la résistivité. Cependant, la résistivité des films CdS déposés sur des substrats en ITO est plus élevée que celle des films déposés sur des substrats en verre. La résistivité du CdS déposé par bain chimique (CBD) sur le verre ne varie pas pendant le procédé du recuit dû aux discontinuités formées dans les films CdS, tels que, les fissures et les « pinholes ». Par contre, à l’obscurité, la grandeur de la résistivité varie considérablement d’un film à un autre. Des valeurs extrêmes (de 15 à 109Ω. Cm) ont été rapportées pour des films non dopés (des films dopés ont été rapportés avec des résistivités encore plus faibles). Puisque les films sont souvent très résistifs, ce n’est pas surprenant qu’ils exhibent une forte photoconduction. La photoconduction se produit à cause de la formation des porteurs libres par l’illumination. Par conséquent, si on commence par une faible concentration de porteurs libres (basse conductivité), alors, la conductivité sera dominée par des porteurs photo générés. Les rapports de la photoconductivité « éclairage : obscurité » dite sensibilités aussi élevées que 109 ont été rapporté. Cependant, sous l’éclairage (100 mW.cm-2), les films CdS sont fortement photo actifs (photosensibles) et leur conductivité augmente . On peut constater que le temps de montée est plus long que celui de la descente causée par la réaction du phonon du réseau cristallin avec des photons. Le temps de la descente est environ 0,5 – 1s (dans beaucoup de cas, le temps d’affaiblissement du courant photoélectrique est mesuré en heures, ceci est expliqué, d’une manière générale, par des états lents ; la nature de ces états n’est pas toujours connue).Le courant photoélectrique Iph= I ‘éclairage – I ‘obscurité augmente de 10-10 à 10-5A avec l’augmentation du l’épaisseur de 26 à 95 nm. Cette augmentation en Iph est due à l’augmentation du produit « Mobilité. Temps de vie » des porteurs. Le tableau suivant montre quelques paramètres du CdS [2]:
Propriétés optiques du CdS
Les propriétés optiques les plus généralement rapportées sont : la transmission optique et quelques études sur la photoluminescence. Tous les films CdS ont une transparence optique très élevée (en général entre 60 et 90%), dans les régions visibles du spectre solaire (520-850) nm, qui permet de les utilisés comme des couches fenêtres dans les cellules solaires (cellules photovoltaïques). Cependant, ces films sont uniformes, ont une forte adhérence et une excellente transmission dans le spectre visible. La transmission est une fonction de l’épaisseur, du gap, et de la structure de film. Il a été noté une forte limite d’absorption à environ 450 nm qui correspond à un gap de 2,47 eV, approximativement. Si la température du bain augmente, la limite d’absorption des films devient difficile à connaitre. Le CdS en couche mince est un matériau à gap optique direct, sa valeur varie entre 2,33 et 2,56eV, ou entre 2,1 à 2,4 eV à différentes températures. Le décalage du gap vers la région bleue de longueur d’onde avec la diminution de la température est étudié dans la référence.
L’indice de réfraction de couche mince CdS est 2,5 .L’intensité et la forme spectrale de la photoluminescence des films changent considérablement, d’un rapport à un autre. Ce n’est pas surprenant, que cette propriété (photoluminescence) est très dépendante de l’état de la surface des différents cristaux. Une émission rouge du défaut (1,8 eV) est souvent constatée. Des pics des émissions vertes, jaunes, et infrarouges ont été également rapportés. Les diverses longueurs d’onde sont liées aux différents défauts dans les cristaux ; l’émission verte est probablement due à une émission peu profonde de défaut [2].
CONCLUSION
Dans ce chapitre nous avons en somme exposé sur les propriétés structurales, électriques et optiques des différents matériaux qui constituent les hétérojonctions ZnO/CdTe et CdS/CdTe. Dans la suite de ce travail, nous ferons une étude générale des hétérojonctions, ceci nous permettra d’étudier les modèles et hypothèses de calcul de certains paramètres de la photopile.
INTRODUCTION
Dans ce chapitre, nous allons exploiter les résultats obtenus après l’étude d’un modèle théorique et des hypothèses de calculs du rendement quantique des cellules solaires ZnO/CdTe et CdS/CdTe. Plusieurs études ont montré une grande reproductibilité de leurs propriétés fondamentales.
Les semi-conducteurs étant classés en composé à bande interdite directe et à bande indirecte.
Leur coefficient d’absorption est rarement conforme aux prédictions théoriques de bases, alors que c’est un paramètre indispensable à l’étude des propriétés optiques et électriques.
Coefficient d’absorption
Le semi conducteur CdTe est la zone active de l’hétérojonction ZnO/CdTe ou CdS/CdTe où, est générée la majorité des porteurs minoritaires excédentaires. Le ZnO ou le CdS, étant l’émetteur joue le rôle de fenêtre, avec une épaisseur beaucoup plus petite que celle du CdTe. Les coefficients d’absorption du ZnO, CdTe et du CdS qui traduisent le nombre de photons par unité d’épaisseur du matériau sont étudiées en fonction des énergies des photons incidents (figure III.1 et 2).
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